Cách tạo máy đo điện tâm đồ và nhịp tim kỹ thuật số: 6 bước

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:35

Điện tâm đồ (ECG) đo hoạt động điện của nhịp tim để cho biết nhịp tim đập nhanh như thế nào cũng như nhịp điệu của nó. Có một xung điện, còn được gọi là sóng, truyền qua tim để làm cho cơ tim bơm máu ra theo mỗi nhịp đập. Tâm nhĩ phải và trái tạo ra sóng P đầu tiên, và tâm thất phải và trái dưới cùng tạo nên phức hợp QRS. Sóng T cuối cùng là từ trạng thái phục hồi điện sang trạng thái nghỉ. Các bác sĩ sử dụng tín hiệu điện tâm đồ để chẩn đoán tình trạng tim, vì vậy điều quan trọng là phải có được hình ảnh rõ ràng.

Mục tiêu của tài liệu hướng dẫn này là thu và lọc tín hiệu điện tâm đồ (ECG) bằng cách kết hợp bộ khuếch đại thiết bị đo, bộ lọc rãnh và bộ lọc thông thấp trong một mạch. Sau đó, các tín hiệu sẽ đi qua bộ chuyển đổi A / D thành LabView để tạo ra biểu đồ thời gian thực và nhịp tim trong BPM.

"Đây không phải là thiết bị y tế. Đây chỉ dành cho mục đích giáo dục sử dụng tín hiệu mô phỏng. Nếu sử dụng mạch này để đo điện tâm đồ thực, vui lòng đảm bảo mạch và các kết nối giữa mạch với thiết bị đang sử dụng kỹ thuật cách ly phù hợp."

Bước 1: Thiết kế Bộ khuếch đại dụng cụ

Để chế tạo một bộ khuếch đại thiết bị đo, chúng ta cần 3 amply op và 4 điện trở khác nhau. Một bộ khuếch đại thiết bị làm tăng độ lợi của sóng đầu ra. Đối với thiết kế này, chúng tôi nhắm đến mức tăng 1000V để có được tín hiệu tốt. Sử dụng các phương trình sau để tính toán các điện trở thích hợp trong đó K1 và K2 là độ lợi.

Giai đoạn 1: K1 = 1 + (2R2 / R1)

Giai đoạn 2: K2 = - (R4 / R3)

Đối với thiết kế này, R1 = 20,02Ω, R2 = R4 = 10kΩ, R3 = 10Ω đã được sử dụng.

Bước 2: Thiết kế bộ lọc Notch

Thứ hai, chúng ta phải xây dựng một bộ lọc notch bằng cách sử dụng amp op, điện trở và tụ điện. Mục đích của thành phần này là lọc bỏ tạp âm ở tần số 60 Hz. Chúng tôi muốn lọc chính xác ở tần số 60 Hz, vì vậy mọi thứ bên dưới và bên trên tần số này sẽ trôi qua, nhưng biên độ của dạng sóng sẽ thấp nhất ở 60 Hz. Để xác định các thông số của bộ lọc, chúng tôi sử dụng hệ số khuếch đại là 1 và hệ số chất lượng là 8. Sử dụng các phương trình dưới đây để tính toán các giá trị điện trở thích hợp. Q là hệ số chất lượng, w = 2 * pi * f, f là tần số trung tâm (Hz), B là băng thông (rad / giây), và wc1 và wc2 là tần số cắt (rad / giây).

R1 = 1 / (2QwC)

R2 = 2Q / (wC)

R3 = (R1 + R2) / (R1 + R2)

Q = w / B

B = wc2 - wc1

Bước 3: Thiết kế bộ lọc thông thấp

Mục đích của thành phần này là lọc ra các tần số trên một tần số cắt nhất định (wc), về cơ bản là không cho phép chúng đi qua. Chúng tôi quyết định lọc ở tần số 250 Hz để tránh cắt quá gần với tần số trung bình được sử dụng để đo tín hiệu ECG (150 Hz). Để tính toán các giá trị chúng tôi sẽ sử dụng cho thành phần này, chúng tôi sẽ sử dụng các phương trình sau:

C1 <= C2 (a ^ 2 + 4b (k-1)) / 4b

C2 = 10 / tần số cắt (Hz)

R1 = 2 / (wc (a * C2 + (a ^ 2 + 4b (k-1) C2 ^ 2 - 4b * C1 * C2) ^ (1/2))

R2 = 1 / (b * C1 * C2 * R1 * wc ^ 2)

Chúng ta sẽ đặt độ lợi là 1, vì vậy R3 trở thành một mạch hở (không có điện trở) và R4 trở thành một mạch ngắn (chỉ là một dây dẫn).

Bước 4: Kiểm tra mạch

Quét AC được thực hiện cho từng thành phần để xác định hiệu quả của bộ lọc. Quét AC đo độ lớn của thành phần ở các tần số khác nhau. Bạn mong đợi thấy các hình dạng khác nhau tùy thuộc vào thành phần. Tầm quan trọng của quét AC là đảm bảo rằng mạch hoạt động bình thường sau khi được xây dựng. Để thực hiện thử nghiệm này trong phòng thí nghiệm, chỉ cần ghi lại Vout / Vin ở một dải tần số. Đối với bộ khuếch đại thiết bị đo, chúng tôi đã thử nghiệm từ 50 đến 1000 Hz để có được dải tần rộng. Đối với bộ lọc notch, chúng tôi đã thử nghiệm từ 10 đến 90 Hz để có ý tưởng tốt về cách thành phần phản ứng xung quanh 60 Hz. Đối với bộ lọc thông thấp, chúng tôi đã thử nghiệm từ 50 đến 500 Hz để hiểu cách mạch phản ứng khi nó đi qua và khi nó dừng lại.

Bước 5: Mạch điện tâm đồ trên LabView

Tiếp theo, bạn muốn tạo một sơ đồ khối trong LabView mô phỏng tín hiệu ECG thông qua bộ chuyển đổi A / D và sau đó vẽ biểu đồ tín hiệu trên máy tính. Chúng tôi bắt đầu bằng cách thiết lập các thông số của tín hiệu bảng DAQ của chúng tôi bằng cách xác định nhịp tim trung bình mà chúng tôi mong đợi; chúng tôi đã chọn 60 nhịp mỗi phút. Sau đó, sử dụng tần số 1kHz, chúng tôi có thể xác định rằng chúng tôi cần hiển thị khoảng 3 giây để thu được 2-3 đỉnh ECG trong biểu đồ dạng sóng. Chúng tôi hiển thị 4 giây để đảm bảo chúng tôi thu được đủ các đỉnh ECG. Sơ đồ khối sẽ đọc tín hiệu đến và sử dụng tính năng phát hiện đỉnh để xác định tần suất xuất hiện nhịp tim đầy đủ.

Bước 6: Điện tâm đồ và nhịp tim

Sử dụng mã từ sơ đồ khối, ECG sẽ xuất hiện trong hộp dạng sóng và nhịp mỗi phút sẽ được hiển thị bên cạnh nó. Bây giờ bạn có một máy theo dõi nhịp tim hoạt động! Để thử thách bản thân nhiều hơn nữa, hãy thử sử dụng mạch và điện cực để hiển thị nhịp tim theo thời gian thực của bạn!